KATALIS

A. DEFINISI KATALIS

Katalis adalah suatu zat yang mempercepat suatu reaksi tanpa ikut bereaksi. Setelah

reaksi selesai, katalis akan diperoleh kembali tanpa mengalami perubahan kimia. Katalis ikut

serta dalam reaksi dengan menyediakan mekanisme alternatif energi yang lebih rendah untuk

memproduksi suatu hasil.

Beberapa gambaran tentang katalis

1. Katalis berperan mempercepat reaksi (meningkatkan kecepatan/laju reaksi)

2. Katalis tidak muncul di dalam persamaan stoikiometri reaksi, karena katalis bukanlah

reaktan dan juga bukan produk. Hal berlaku secara umum, kecuali pada kasus reaksi

autokatalitik. Katalis muncul di dalam mekanisme reaksi, serta muncul (secara langsung

maupun tidak langsung) dalam persamaan kecepatan reaksi.

3. Kuantitas atau banyaknya katalis tidak mengalami perubahan selama reaksi berlangsung.

Kendatipun demikian, seiring dengan berlangsungnya proses, pada kenyataannya katalis

dapat mengalami perubahan sifat-sifat kimia dan fisika secara irreversibel yang mengarah

kepada terjadinya deaktivasi.

4. Komposisi kimiawi suatu katalis tidak berubah pada akhir reaksi.

5. Katalis dibutuhkan oleh suatu reaksi dalam kuantitas yang sangat sedikit. Contoh: 1 gram

katalis logam Pt dibutuhkan untuk reaksi penguraian 108 liter H2O2.

6. Jika lebih dari 1 (satu) reaksi berlangsung secara simultan pada saat yang bersamaan,

maka pada umumnya katalis mempengaruhi arah atau selektivitas atau spesifisitas reaksi.

Artinya, katalis bersifat unik (spesifik); katalis tertentu hanya mempercepat jenis reaksi

tertentu.

7. Katalis tidak mengubah atau menggeser kesetimbangan reaksi, termasuk semua sifat

termodinamikanya, seperti kecenderungan keberlangsungan reaksi (berdasarkan

perubahan energi bebas Gibbs reaksi, ΔG), besarnya panas reaksi (ΔH), harga tetapan

kesetimbangan reaksi (K), dan konversi maksimum reaksi (Xe) yang dapat dicapai pada

kondisi tertentu. Dengan atau tanpa katalis, sifat-sifat termodinamika reaksi tidak

mengalami perubahan. Katalis hanya berpengaruh terhadap sifat kinetika reaksi.

8. Katalis tidak memulai berlangsungnya suatu reaksi, tetapi mempengaruhi kecepatan

reaksinya. Katalis hanya mempromosikan reaksi-reaksi yang perubahan energi bebas

Gibbs (ΔG)-nya berharga negatif. Dengan kata lain, katalis tidak mampu mempercepat

suatu reaksi, pada kondisi tertentu, yang secara termodinamika tidak dapat berlangsung.

9. Katalis hanya mempercepat reaksi untuk mencapai kesetimbangan (Reaksi yang

menggunakan katalis jauh lebih cepat mencapai kesetimbangan dibandingkan dengan

reaksi tanpa katalis).

Karena tetapan kesetimbangan reaksi (K) yang merupakan perbandingan antara

tetapankecepatan reaksi ke kanan terhadap tetapan kecepatan reaksi ke kiri tidak

mengalamiperubahan, maka katalis bersifat mempercepat reaksi dalam kedua arah.

Artinya, katalis yang mempercepat reaksi ke kanan juga akan mempercepat reaksi ke kiri

(reaksi balik). Contoh: logam baik digunakan sebagai katalis reaksi hidrogenasi dan

sekaligus dehidrogenasi.

10. Katalis mempunyai suhu operasi optimum

11. Katalis dapat teracuni oleh suatu zat dalam jumlah yang sangat sedikit yang disebut racun

katalis. Contoh:

12. Keaktifan katalis dapat diperbesar oleh suatu zat yang disebut pemercepat katalis

(promotor). Contoh: Efisiensi katalis CuO-ZnO yang digunakan untuk mengkatalisis

reaksi shift conversion (CO (g) + H2O (g) ↔ CO2 (g) + H2 (g)) pada proses pembuatan

pupuk ditingkatkan melalui penambahan promotor Al2O3.

13. Pada reaksi-reaksi tertentu, terdapat salah satu produk reaksi yang dapat berfungsi

sebagai katalis untuk reaksi yang bersangkutan. Zat atau produk reaksi ini disebut

autokatalis, sedangkan reaksinya biasa disebut reaksi autokatalitik. Contoh:

14. Katalis yang dapat menghambat atau memperlambat kecepatan reaksi disebut katalis

negatif (atau inhibitor). Contoh:

B. CARA KERJA KATALIS

Pada gambar di bawah, perhatikan bahwa kurva energi dari reaksi katalis di gambar pada

koordinat reaksi yang berbeda untuk menekankan adanya mekanisme yang berbeda.Batas energi

untuk jalan katalis lebih rendah daripada reaksi tanpa katalis. Lebih rendahnya energi aktivasi

berarti bahwa pada campuran reaksi ada total fraksi mol yang besar dan mempunyai energi

kinetik yang cukup untuk dapat bereaksi. oleh sebab itu, apabila ada katalis maka jumlah

tumbukan yang efektif akan bertambah. Tentu saja dengan bertambahnya tumbukan yang efektif

berarti kecepatan reaksi makin besar.

Oleh karena katalis setelah terjadi reaksi tidak mengalami perubahan kimia, maka tidak

telihat sebagai pereaksi maupun hasil reaksi pada persamaan reaksi yang sudah setara. Dengan

demikian keberadaannya biasanya dinyatakan dengan menulis nama atau rumusnya di atas tanda

panah reaksi.

Misalnya oksigen dapat dibuat dari penguraian KClO3 (kalium klorat) dengan panas.Tanpa

adanya katalis, reaksinya lambat dan KClO3-nya harus dipanaskan pada suhu tinggi agar dapat

terurai dengan kecepatan yang waja. Akan tetapi, apabila sedikit mangan dioksida (MnO2)

ditambahkan pada KClO3 maka penguraian akan terjadi dengan lancar pada suhu yang relaif

rendah. Dari hasil analisis campuran, sesudah oksigen semua keluar ternyata MnO2 yang

ditambahkan masih tetap utuh.Hal ini menunjukkan bahwa MnO2 telah bekerja sebagai katalis.

Persamaan reaksi dengan katalis adalah:

2KClO4 2 KCl + 3 O2

C. KLASIFIKASI KATALIS

Klasifikasi katalis berdasarkan fasenya di dalam sistem reaksi adalah :

1. Katalis Homogen

Katalis homogen yaitu jika fase katalis sama dengan fase reaktan dan fase produk reaksi (fase

katalis = fase reaksi). Yang paling umum berupa fase cair, dengan katalis dan reaktan berada

dalam larutan.

Sifat-sifat katalis homogen:

1. Aktivitas dan selektivitasnya tinggi, tidak mudah teracuni oleh keberadaan pengotor,

mudah dioperasikan, mudah dimodifikasi, mudah untuk dipelajari.

2. Sulit dipisahkan dari campuran reaksi, kurang stabil pada suhu tinggi. Karena alasan-

alasan tersebut, katalisis homogen terbatas penggunaannya di industri, biasanya dalam

pembuatan zat kimia khusus, obat-obatan, dan makanan; kecuali pada produksi asam

asetat, proses alkilasi olefin, dan hidroformilasi.

3. Dapat mempercepat reaksi melalui pembentukan kompleks teraktivasi dengan salah satu

pereaksi.

Contoh katalis homogen:

1. Reaksi berkatalis homogen, fase gas

CO (g) + ½ O2 (g) → CO2 (g) katalis: NO (g)

CH3CHO (g) → CH4 (g) + CO (g) katalis: uap I2

MnO2

2. Reaksi berkatalis homogen, fase cair

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 katalis: asam

CH3COOC2H5 + H2O → CH3COOH + C2H5OH katalis: asam

Reaksi Katalisis Homogen

Proses katalitik pada reaksi berkatalis homogenberlangsung melalui tahap-tahap:

1. Tahap pembentukan senyawa kompleks / intermediates (tahap koordinasi)

2. Tahap penyusunan ulang antara molekul-molekul reaktan dengan ligan katalis (tahap

interaksi ligan)

3. Tahap eliminasi produk reaksi

Penentuan persamaan kinetika reaksi berkatalis homogen, berdasarkan mekanismenya,

dilakukan dengan menggunakan hubungan pendekatan neraca massakatalis.

Contoh:

Reaksi enzimatik (berkatalis enzim) fase cair: … (*)

yang berlangsung dalam reaktor batch isotermal bervolume-tetap.

Mekanisme reaksi yang diperkirakan terjadi untuk reaksi ini:

k1

Dengan A ≡reaktan (substrat)

P ≡ produk reaksi

E ≡ enzim

AE ≡ zat antara (intermediet) yang merupakan molekul enzim yang terikat pada

reaktan

Berdasarkan persamaan (*): r = -rA = rP .... (**)

Berdasarkan mekanisme reaksi, tahap (ii) lambat, sehingga tahap (ii) menjadi tahap penentu

kecepatan reaksi: r = r tahap (ii) = rP .... (***)

Kecepatan reaksi tahap (ii): r = k2 [AE] .... (1)

Pendekatan kesetimbangan untuk reaksi tahap (i):

.... (2)

Neraca massa katalis: [E0] = [E] + [AE] atau: [E] = [E0] – [AE] .... (3)

dengan: [E0] ≡ konsentrasi enzim mula-mula

[AE] ≡ konsentrasi enzim yang berikatan dengan reaktan A pada saat t

[E] ≡ konsentrasi enzim bebas pada saat t

Substitusikan (3) ke (2):

Substitusikan (4) ke (1):

2. Katalis Heterogen

Katalis heterogen yaitu jika fase katalis tidak sama dengan fase reaktan dan/atau fase

produk reaksi (fase katalis ≠ fase reaksi), tetapi menyediakan permukaan yang menyebabkan

reaksi dapat berlangsung. Pada umumnya, fase katalis berupa padatan sedangkanfase

reaksinya adalah gas.Contohnya, reaksi antara gas hidrogen dan gas oksigen.Reaksi ini

sangat lambat pada suhu kamar.Namun, telah ditemukan bahwa reaksi ini menjadi sangat

cepat dengan adanya katalis logam seperti nikel, tembaga, atau perak.

Katalis heterogen mengadsorbsi molekul-molekul pereaksi pada permukaan, kemudian

reaksi berlangsung.Kereaktifan hidrogen tinggi dengan adanya logam khusus, karena

molekul hidrogen diadsorbsi oleh permukaan katalis.Di permukaan logam, ikatan antara

atom-atom hidrogen putus, sehingga di permukaan logam terdapat atom-atom hidrogen yang

sangat reaktif.Bila molekul-molekul pereaksi tidak dapat diadsorbsi oleh katalis, tidak ada

peningkatan laju reaksi. Suatu zat yang terdapat dalam campuran reaksi dan mempengaruhi

proses adsorbsi, akan menurunkan efektivitas katalis dan dinamakan inhibitor. Zat ini

diadsorbsi kuat di atas permukaan katalis, sehingga mengurangi tempat bagi pereaksi yang

akan bereaksi (Etna Rufiati, 2011)

Sifat-sifat katalis heterogen:

1. Mudah dipisahkan dari campuran reaksi

2. Tahan dan stabil terhadap suhu relatif tinggi

3. Mudah disiapkan dalam bentuk pellet katalis padat

4. Konstruksinya sederhana

Hingga tahun 1980-an: sekitar 90% katalis yang digunakan di dalam proses industri

kimia berupa katalis heterogen. Katalis heterogen banyak digunakan secara komersial dan

diterapkan dalam industri.Sebagai contoh, alat pemanas kecil yang dijual dapat dibuat

melalui reaksi antara bahan bakar dengan oksigen di atas permukaan suatu katalis. Bila bahan

bakar dibakar langsung dengan oksigen, akan terbentuk api. Berarti alat pemanas lebih aman

dibanding pembakaran langsung.Sayangnya, reaksi oksidasi yang dikatalisis tidak semuanya

efisien dan dihasilkan sejumlah kecil CO. Akibatnya, alat pemanas tadi harus digunakan

dengan hati-hati.

Contoh katalis heterogen:

1. Katalis padat Fe untuk Proses Haber pada pembuatan amonia:

N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)

2. Katalis padat Fe2O3-BiO2 untuk oksidasi amonia pada pembuatan asam nitrat:

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) ↔ 4 NO (g) + 6 H2O (g)

3. Katalis padat Ni pada hidrogenasi hidrokarbon:

R1CH=CHR2 (l) + H2 (g) → R1CH2CH2R2 (l)

(minyak tak jenuh) (lemak jenuh)

4. Katalis arang (C) pada pembuatan asam khlorida:

H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g)

Reaksi Katalisis Heterogen

Reaksi katalisis heterogen adalah reaksi yang menggunakan katalis yang mempunyai fasa

yang berbeda dengan fasa reaktannya.Reaksi katalisis heterogen biasanya menggunakan

katalis padatan dimana interaksi terjadi di permukaan padatan/gas atau cairan/padatan. Pusat

aktivitas katalis terjadi di permukaan pori padatan katalis. Agar interaksi reaktan dengan

pusat aktif katalis dapat berlangsung, reaktan harus berpindah dari fasa cair ke permukaan

katalis.

Klasifikasi katalis berdasarkan keberadaannya di alam adalah :

1. Katalis Biokimia

Katalis biokimia disebut juga sebagai enzim.Merupakan senyawa protein berukuran koloid

yang dijumpai dalam sistem biokimia dan makhluk hidup.Bekerja pada suhu ambient.Setiap

enzim mempunyai suhu optimum(suhu operasi ketika aktivitasnya mencapai maksimum).

Peningkatan suhu di atas suhu optimumnya akan mengakibatkan kerusakan enzim

(denaturasi protein).

Contoh: enzim-enzim dalam sistem pencernaan tubuh manusia enzim-enzim dalam

tumbuhan

2. Katalis yang Dibuat oleh Manusia (Man-Made Catalyst)

Katalis inibekerja pada suhu relatif tinggi.Sebagian besar berupa katalis padat.

Contoh:

Katalis V2O5 untuk reaksi oksidasi SO2 : SO2 (g) + ½ O2 (g) ↔ SO3 (g)

Katalis Fe-base untuk reaksi sintesis amonia: N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g)

Katalis oksida Cu-Zn untuk reaksi sintesis metanol: CO (g) + 2 H2 (g) ↔ CH3OH (g)

(Anonim, 2007)

D. REAKSI KATALISIS HETEROGEN

Reaksi katalisis heterogen adalah reaksi yang menggunakan katalis yang mempunyai

fasa yang berbeda dengan fasa reaktannya dan karena perbedaan fasa antara katalis dan reaktan,

maka mekanisme reaksi menjadi sangat kompleks. Laju reaksi dikendalikan oleh fenomena‐fenomena adsorpsi, absorpsi, dan lainnya.

Agustine (1996) menyatakan bahwa reaksi katalisis heterogen memiliki tahapan-tahapan

yang lebih kompleks dibandingkan dengan reaksi katalisis homogen.Hal ini disebabkan pada

reaksi katalisis heterogen katalis tidak terdistribusi merata ke dalam media reaksi. Tahapan-

tahapan pada reaksi katalisis heterogen agar terjadi reaksi sempurna adalah sebagai berikut:

a. Transpor reaktan ke permukaan katalis

b. Interaksi (adsorpsi) reaktan pada katalis.

c. Reaksi pada permukaan katalis yang melibatkan satu atau lebih reaktan teradsorpsi.

d. Desorpsi produk dari permukaan katalis

e. Transpor produk menjauh dari katalis.

Menurut Triyono (1998), inti dari reaksi katalisis terjadi pada tahap ketiga, akan tetapi

tahap kedua dan keempat termasuk dalam perubahan kimia, sehingga data kecepatan reaksi yang

diamati melingkupi data dari ketiga tahap tersebut. Pengukuran energi aktivasi merupakan

aplikasi dari kombinasi ketiga tahap tersebut. Tahap kedua, ketiga dan keempat merupakan

penentu laju reaksi dengan ciri-ciri:

a. Laju reaksi sebanding dengan massa katalis atau konsentrasi komponen aktif

b. Laju reaksi tidak dipengaruhi oleh pengadukan

c. Energi pengaktifan biasanya lebih besar dari 25 kJ.mol-1.

E. DEAKTIVASI KATALIS

Deaktivasi katalis merupakan penurunan sifat aktivitas dan selektivitas katalis selama

pemakaian katalis tersebut.Deaktivasi katalis ini terjadi karena penggunaan katalis yang selalu

berulang-ulang. Aktivitas katalis bergantung pada sifat kimia logam, luas permukaan dan

distribusi pori sedangkan penyebab terjadinya deaktivasi katalis ada 3 macam antara lain:

1. Peracunan katalis

Peracunan katalis terjadi karena beberapa unsur tertentu dalam senyawa racun katalis

teradsopsi dengan mudah secara kimia kepermukaan katalis secara lebih kuat daripada

reaktan sehingga menutupi bagian aktif dari katalis tsb dan aktivitas katalis menjadi

terganggu.

Peracunan pada katalis ada 2 macam yaitu:

a) Peracunan pada katalis logam

Terjadi apabila racun katalis ini teradsorp pada situs aktif logam membentuk

kompleks terkemisorpsi.Katalis logam yang mudah teracuni adalah logam

golongan VIII dan IB.

b) Peracunan pada katalis non logam

Penelitian yang banyak dilakukantentang peracunan pada katalis non logam

adalah pada katalis perengkahan. Biasanya katalisnya berupa oksida asam yang

berperan dalam proses isomerisasi,perengkahan serta reaksi yang melibatkan

ikatan rangkap. Kebanyakan katalis perengkahan adalah katalis alumina, silika,

silika-alumina.Senyawa yang mengandung nitrogen merupakan racun untuk

katalis tersebut.

2. Pengotoran/pencemaran pada permukaan katalis

Pengotoran pada permukaan katalis dapat terjadi karena pada suatu reaksi kimia

kemungkinan besar akan menghasilkan produk sekunder/sampingan dengan masa

molekul yang relatif lebih tinggi yang terdeposisi pada permukaan katalis (kokas) yang

akan mengendap dan teradsorp secara kimia dna fisik pada permukaan katalis sehingga

mengurangi luas permukaan katalis dan akan membloking akses menuju situs aktif

katalis sehingga aktivitas katalis menjadi menurun. Dimana semakin sering katalis

digunakan maka jumlah kokas yang dihasilkan/terdeposisi akan semakin banyak

sehingga aktivitas katalis semakin menurun. Namun beberapa katalis yang terdeaktivasi

akibat deposisi kokas akan dapat diregenerasi.

Molekul yang mudah menghasilkan kokas adalah molekul yang memiliki jumlah rantai

karbon lebih banyak dan atau memiliki gugus aromatik. Dimana pembentukan kokas ada

2 macam yaitu

a) Pembentukan kokas secara paralel

Pembentukan kokas terjadi apabila konsentrasi reaktan besar maka deposisi kokas

akan meningkat hal ini dikarenakan reaktan merupakan prekusor terbentuknya

kokas.

b) Pembentukan kokas secara konsekutif

Pembentukan kokas terjadi apabila konsentrasi prosuk besar maka deposisi kokas

akan meningkat juga hal ini diakrenakan produk merupakan prekusor intermediet

terbentuknya kokas.

3. Penggumpalan

Penggumapalan pada sistem katalis pengemban dapat terjadi karena terjadinya kerusakan

struktur pengemban yang disebabkan temperatur operasi yang terlalu tinggi,

penggumpalan akan mengurangi luas permukaan kontak sehingga aktivitas katalis

menjadi menurun. Penggumpalan pada sistem katalis ada 2 tipe tergantung tipe katalis

yang digunakan, dimana tipe katalis antara lain:

a) Tipe 1

Apabila katalis adalah material yang memiliki luas permukaan tinggi.Maka

temperatur tinggi akan menyebabkan berkurangnya/ hilangnya luas permukaan

spesifik yang diikuti dengan perubahan struktur pori sehingga aktivitas katalis

menjadi menurun.

b) Tipe 2

Apabila sisi aktif katalis berupa logam yang diembankan pada suatu padatan

pendukung yang memiliki luas permukaan tinggi pada hal ini penggumpalan tidak

hanya terjadi akibat pengurangan luas permukaan area melainkan hilangnya

dispersi dari kristal logam seihingga aktivitas katalis menurun secara tajam.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim. 2007. Dasar-dasar Katalis & Katalisis [http://hmtkupnyogya.files.wordpress.com/

2012/02/09_handout-dasar2-katalis-katalisis.pdf.], Diakses 1 September 2014

Augustine. R.L., 1996, Heterogenous Catalysis for Chemist, Marcel Dekker, New

Brady, James E. Kimia Universitas Asas &Struktur. Jilid 2.Jakarta :Erlangga

Lestari, Dwi. 2011. Kajian Tentang Deaktivasi Katalis .Yogyakarta : Kimia FMIPA UNY

Rufiati, Etna. 2011. Katalis. [http://skp.unair.ac.id/repository/Guru-Indonesia/

Katalis_EtnaRufiati_10880.pdf] , Diakses 1 September 2014

Triyono, 1998, Pemanfaatan Limbah Minyak Fusel Menjadi Hidrokarbon Dengan Cara

Konversi Menggunakan Katalis Pt/Zeolit, Laporan Pelaksanaan Riset UnggulanTerpadu

(RUT), V.2/VI.I, FMIPA UGM, Yogyakarta.

Utomo dan Laksono.2007. Tinjauan Umum tentang Deaktivasi Katalis Pada Reaksi Katalisis

Heterogen.Yogyakarta :Kimia FMIPA UNY